（材料学专业论文）沿海铁路客运专线耐久混凝土研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 混凝土不是一劳永逸的耐久材料，混凝土工程也有其一定的使用年限。混 凝土结构在长期自然环境和使用条件下，会逐渐老化、丧失耐久性能，影响了 结构物的使用功能和安全。沿海铁路客运专线属于国家重要生命线工程，一旦 遭受侵蚀导致破坏或终止运行，将给国家带来巨大的损失。因此研究混凝土的 耐久性，延长其使用寿命，是摆在研究工作者面前最重要最现实的课题。 大量研究表明，粉煤灰和矿渣粉等活性掺合料部分替代水泥，不仅节约经 济，而且对混凝土的耐久性能有明显的改善。本文正是在此基础上，结合中铁 十三局宁波i 标段客运专线具体情况，提出了制备沿海客运专线混凝土的原材 料选择、配合比设计和质量控制方法，研究了粉煤灰和矿渣粉对混凝土力学性 能和工作性能的影响规律，氯离子电通量试验研究了粉煤灰和矿渣粉双掺对混 凝土抗渗和抗硫酸盐侵蚀等耐久性能的影响，并详细探讨了矿物掺和料对客运 专线混凝土工作性、力学性、抗硫酸盐侵蚀和抗氯离子渗透性能的作用机理。 根据f i c k 第二定律建立模型对混凝土耐久寿命进行了预测与分析。 研究结果表明：( 1 ) 粉煤灰、矿渣在一定程度上增大了混凝土坍落度，减 小坍落度的损失，能明显改善客运专线混凝土的工作性能和力学性能。( 2 ) 水 胶比对混凝土6 小时氯离子电通量有着重要的影响，当水胶比比较低时，混凝 土6 小时电通量小于1 0 0 0 ，具有很高的抗渗透性。( 3 ) 掺合料填充在水泥石的 孔隙中，堵塞毛细管通道，使混凝土具有更加致密的结构，粉煤灰和矿渣粉双 掺后混凝土具有更小的6 小时电通量值。( 4 ) 抗硫酸盐侵蚀试验还表明，掺加 粉煤灰和矿渣活性矿物掺合料后，相对降低了体系中c a 的含量，减少了硫铝 酸盐的腐蚀的可能性，活性掺合料的二次水化反应不仅吸收了大量的c a ( 0 h ) ： 而且削弱了水泥石界面，这些因素都使混凝土具有更好的抗硫酸盐侵蚀性能。 ( 5 ) 基于氯离子渗透性对混凝土寿命进行了初步预估，结果表明，粉煤灰和矿 渣粉双掺，混凝土具有更高的耐久寿命，适当降低水胶比，优化矿物掺合料配伍 技术，混凝土耐久寿命可以达到1 0 0 年以上 关键词：客运专线，矿物掺和料，氯离子电通量，耐久寿命 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n c r e t ei sn o tt h ed u r a b l em a t e r i a lb e i n ge f f i c a c i o u sf o r e v e r , a n di t sp r o j e c t a l s oh a sc e r t a i ns e r v i c el i f e c o n c r e t es t r u c t u r em a ya g ea n dl o w e rd u r a b i l i t y g r a d u a l l yu n d e rl o n g - t e r mn a t u r a le n v i r o n m e n ta n ds e v e r es e r v i c ec o n d i t i o n s ，t h a t m a ya f f e c ti t sf u n c t i o na n ds e c u r i t y t h ec o a s t a lr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns p e c i a lf i n e b e l o n g st ot h en a t i o n a li m p o r t a n tl i f e l i n ep r o j e c t ，o n c ed e s t r u c t i o no rt e r m i n a t i o n ， w i l lb r i n gm a s s i v el o s st oo u rc o u n l y t h e r e f o r et h er e s e a r c ho fc o n c r e t ed u r a b i l i t y , h o wt ol e n g t h e ni t ss e r v i c el i f e ；i st h em o s ti m p o r t a n ta n dm o s tr e a l i s t i ct o p i c s u s p e n d e di nf r o n to fa l lr e s e a r c hw o r k e r s t h em a s s i v er e s e a r c hs h o w st h a t ：a c t i v e n e s sm i x t u r e ss u c ha sf l ya s ha n ds l a g t a k et h ep l a c eo f c e m e n tp a r t l y , c a nn o to n l ys a v ep l e n t yo f m o n e y , b u ta l s oi m p r o v e d i s t i n c t l yt h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t e o nt h eb a s i so fz h o n g t i e , s h i s a n j uh i g h - s p e e d p a s s e n g e r 伯n w a yp r o j e c t , t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dc o m p l i m e n t so ft h i sp a p e r a l e ： t h ec h o o s eo fr a wm a t e r i a l s ，d e s i g n a t i o na n dt h eq u a f f t yc o n t r o lm e t h o do f c o a s t a lh i g h s p e e dp a s s e n g e rr a i l w a yc o n c r e t ea r ep u to u t ；t h ee f f e c to fm i n e r a l a d m i x t u r e so nm e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dd u r a b i l i t yo fc o a c hc o n c r e t ea r ed o n e ；t h e i n f l u e n c eo fd o u b l em i x i n gw i t hf l ya s ha n df i n es l a gt op e n e t r a t i o nr e s i s t i n ga n d s u l f a t ec o r r o s i o nr e s i s t i n ga r er e s e a r c h e db yc h l o r i d ei o nd i e l e c t r i cf l u xe x p e r i m e n t ； t h ee f f e c to fm i n e r a la d m i x t u r eo nt h em e c h a n i s ma n dw o r k a b i l i t y , m e c h a n i c a l p r o p e r t y , a n da n t i - c h l o r i d eo s m o s i so fm a r i n ec o n c r e t ei sd i s c u s s e da m p l y ；m o d e l i se s t a b f i s h e dt of o r e c a s ta n dt h ea n a l y s i st h ed u r a b l el i f eo fc o n c r e t eb a s e do nt h e s e c o n dl a wb yh c k r e s u l ts h o w st h a t ：a ) f l ya s ha n df i n es l a gc a ni n c r e a s ec e r t a i n l ys l u m po f c o n c r e t e , w h i l ed e c r e a s ei t sl o s so fs l u m p ，i m p r o v et h em e c h a n i s ma n dw o r k a b i l i t y o b v i o u s l yo fh i g hs p e e dp a s s e n g e rr a i l w a yc o n c r e t e ”w a t e rr a t i oh a ss i g n i f i c a n t i n f l u e n c et od i e l e c t r i cf l u xi ns i xh o u r s , w h i l el o w e rt h ew a t e rr a t i o , t h en u m e r i c a l v a l u eo fd i e l e c t r i cf l u xj ns i xh o u r sc a nb er e d u c e dt on om o r et h a n1 0 0 0 , w h i c h m e a n st h ec o n c r e t eh a sv e r yh i g hp e n e t r a t i o nr e s i s t i n g 曲m i n e r a la d m i x t u r e s6 ui n n 武汉理工大学硕士学位论文 t h el i m e s t o n eh o l e ，s t o p 叩t h ec a p i l l a r yv e s s e lc h a n n e l ，c o m p a c tt h ec o n c r e t e s t r u c t u r e ，t h ec o n c r e t em i x e db yf l ya s ha n df i n es l a gh a sl o w e rn u m e r i c a lv a l u eo f d i e l e c t r i cf l u xi ns i xh o u r s d ) t h ea n t i - s u l f a t ec o r r o s i o ne x p e r i m e n ta l s oi n d i c a t e s t h a t t h em i x i n gi no fa c t i v em i n e r a la d m i x t u r e ss u c ha sf l ya s ha n df i n es l a g h a s r e l a t i v e l yr e d u c e dt h e c o n t e n to fc 3 a , p h a s e dd o w nt h ep o s s i b i l i t yo fs u l f a t e c o r r o s i o n ，t h es e c o n dh y d r a t i o ne f f e c to fa c t i v em i n e r a l sr e s p o n s en o to n l yt oa b s o r b m a s s i v ec a ( 0 i ) 2 ，b u ta l s ow e a k e nt h ee f f e c to fc o n t a c ts u r f a c eo fl i m e s t o n e ，a l lo f t h e s ef a c t o r se n a b l et h ec o n c r e t eh a v eb e t t e ra n t i - s u l f a t ec o r r o s i o np e r f o r m a n c e 曲 p r e l i m i n a r ye s t i m a t et ot h el i f eo fc o n c r e t ei sd o n eb a s e do nt h ec h l o r i d ei o n p e r m e a b i l i t y , r e s u l ts h o w s , d o u b l em i x i n gf l ya s hw i t hf i n es l a g , t h ec o n c r e t eh a sa h i g h e rd u r a b l el i f e ，w h i l er e d u c i n gt h ew a t e rc e m e n tr a t i o ，o p t i m i z a t i o nm a t c h i n g t e c h n o l o g yo fm i n e r a la d m i x t u r e s ，t h ec o n c r e t el i f em a ym o u n t t oa b o v ef o r1 0 0 y e a r s k e yw o r d s ：h i g h - s p e e dp a s s e n g e rr a i l w a y , m i n e r a la d m i x t u r e s , c h l o r i d ei o n d i e l e c t r i cf l u x ，d u r a b l el i f e m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了中文特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 从1 9 世纪2 0 年代波特兰水泥问世以来，混凝土材料以它的实用性和低廉 的造价而成为土建工程中不可缺少的材料，它是当代用量最大的人造材料，也 是最重要的建筑材料之一。被广泛应用在高速公路、桥梁、高层和超高层建筑、 海港工程、地下工程等。据不完全统计，当今世晃每年消耗的混凝土量不少于4 5 亿立方米“1 ，并且随着逐步增长的城市化建设，年消耗量在不断增长。但随着 时间的推移，人们发现混凝土并不是永固的。 混凝土材料由于耐久性设计不足，在恶劣的环境下很容易劣化。在早期会 因设计、材料选用、施工不当，而产生早期劣化现象。在使用期间，又会因气 温、湿度、中性化、碳化、干湿循环、冻融循环、环境的化学有害介质，如受 酸雨、酸雾、酸性水、含盐介质，特别是在除冰盐、硫酸盐介质中、含强碱的 水体、土壤等及淡水的溶出性侵蚀等单独或综合作用下而劣化。当使用含碱量 高的水泥与含活性的集料时，在高湿环境下会产生碱集料反应而使混凝土结构 出现类似地图状裂缝，难于修复。此外，冲击、磨损、疲劳、大荷载等作用也 会导致结构劣化。在各种劣化因素的复合作用下的高水灰比的混凝土不仅强度 下降、性能劣化，在其外部、内部也会受损，钢筋产生锈蚀、保护层剥离，最 终危及结构的工作性能与安全。1 9 9 1 年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会 议上， h e h t a 嘲教授在题为混凝土耐久性一五十年进展主旨报告中指出；。当 今世界，混凝土破坏原因，按重要性递降顺序排列是：钢筋腐蚀、寒冷气候下 的冻害、侵蚀环境的物理化学作用” 在沿海地区的混凝土工程，处于海洋大气环境、海风雾气之中含有大量的 盐，混凝土受到离子侵蚀更加严重，钢筋混凝土结构工程劣化破坏事故更加屡 见不鲜。使用7 2 5 年的桥梁有8 9 出现钢筋锈蚀向题，连云港某桥梁使用不 到3 年、宁波某桥梁使用不到l o 年，就出现了梁柱顺筋胀裂等腐蚀破坏的现象。 矿物掺合料是配制高性能混凝土的必要材料之一，有人称之为制作高性能 混凝土的功能性组分材料随着混凝土掺合料的应用技术不断完善，粉煤灰及 矿渣已经作为混凝土材料中必不可少的组分阻“”矿物掺合料的物理填充、化 武汉理工大学硕士学位论文 学反应、物理化学作用影响了浆体或混凝土微结构的整个发展过程。矿物掺合 料的形态效应、微集料填充效应和活性作用，改善了新拌混凝土的工作性，提 高了硬化混凝土的强度、耐久性。通过掺加矿物掺合料改善混凝土耐久性也取 得了大量的研究成果“”。 2 1 世纪的重要工程建筑物不仅耗资巨大，而且许多生命线工程不能中断运 行，就必须要求建筑物要具有相当长的使用年限，为保证大型混凝土结构的耐 久性，许多超大型工程采用了1 0 0 年设计基准期。结合甬台温铁路客运专线工 程的具体需要，通过设计耐久混凝土，研究混凝土劣化破坏规律，提高工程使 用寿命，具有深远的理论意义和巨大的经济与社会效益。 i 2 选题背景 1 2 ，i 国内外耐久损伤状况 混凝土从问世以来，经历了低强度、中等强度、高强度乃至超高强度的发 展历程，但是由于忽视混凝土的耐久性设计，混凝土结构因材质劣化造成过早 失效以至破坏崩塌的事故在国内外都屡见不鲜，并有愈演愈烈之势嘲。例如， 在日本海沿岸，许多港湾建筑、桥梁等，建成后不到1 0 年的时间，混凝土表面 即出现开裂、剥落，钢筋锈蚀外露。美国国家材料顾问委员会1 9 8 7 年提交的报 告报道，约有2 5 3 万座混凝土桥面板出现不同程度的破坏( 其中部分使用不到 2 0 年) ，而且每年还将增加3 5 万座；同年l i t v a n 和b i c k l e y 发表了对加拿大 停车场的检测报告，他们发现大量停车场在远比预计的服务寿命要早的多时就 出现破坏“町。南非1 9 8 1 年用于拆换桥梁、挡土墙、墩柱、路面、路缘、蓄水坝、 系桩柱、防波堤、电杆基础等的经费就超过2 7 0 0 万英镑，这些结构物多是在建 成后3 - 1 0 年内就发现开裂破坏。英格兰岛中部环形线的2 1 k m 快车道，因冬季 撤盐化冰雪，两年后就发现钢筋锈蚀，使混凝土顺筋胀裂。日本目前每年仅用 于房屋结构维修的费用即达4 0 0 亿日元以上，日本引以自豪的“新干线”使用 不到l o 年就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象“。 我国的基本建设比发达国家晚三十多年，已建的一些工程也有令人堪忧的 状况，有不少混凝土工程使用寿命远低于设计要求。据统计，我国现有建筑面 积5 0 亿平方米，其中约2 3 亿平方米需分期进行鉴定加固，近1 0 亿平方米急需 2 武汉理工大学硕士学位论文 维修加固。1 9 8 9 年，建设部科技发展司组织调查组对北京、西宁、贵阳等地的 一些建筑物进行了调查，结果表明，建国初期的建筑均已达到必须大修的状态， 现有大多数工业建筑不能满足安全使用5 0 年的要求，一般使用2 5 3 0 年就需大 修加固“”。 值此大修大建之即，设计混凝土耐久性，提高本客运专线混凝土工程使用 寿命，对长江、珠江三角洲和东南沿海地区经济的发展与稳定增长具有重要意 义。因此，研究耐久混凝土十分必要且具有深远的意义“3 。“。 1 2 2 课题工程背景 本课题结合中铁十三局甬台温铁路客运专线混凝土工程，按要求配制出经 济耐久的混凝土。中铁十三局甬台温铁路客运专线混凝土工程北起浙江省宁波 市，南至温州。途径宁波市所辖的三门、宁海、台州市区、温岭以及温州所辖 的乐清、永嘉等县市。由于这些城市地处沿海，建筑上部结构受到海风雾气等 影响，混凝土的氯离子含量大；下部结构受到离子的侵蚀，处于干湿交替循环 的恶劣环境中，加剧了钢筋混凝土的劣化n 町为确保工程的耐久性，设计寿命 1 0 0 年。 i 3 研究进展 混凝土结构耐久性问题的日益突出，引起了世界各国学术机构、学者和工 程技术人员对加强钢筋混凝土结构耐久性研究的重视，表现在各种结构耐久性 学术机构的不断成立和频繁的学术活动、大量的与结构耐久性有关的出版物以 及大规模的科学研究方面n ” 1 9 8 2 年，国际材料与结构实验室联合会( r i l l s ) 和国际建筑研究文献协会 ( c i b 联合组成了建筑材料构件使用寿命预测委员会c i b 霄8 0 r i l 阴7 卜p s l ，共 同研究结构的寿命预测问题，1 9 8 7 年又成立了一个新的委员会c i b w 8 0 r i l e m l o o t s l ，以进一步推进委员会的工作和贯彻已取得的成果。美国混 凝土学会1 9 5 7 年成立了委员会a c l 2 0 1 ，负责并指导混凝土耐久性方面的研 究，1 9 9 1 年a c i 委员会提出了“已有混凝土房屋抗力评估”的最新报告，制 定了检测试验的详细方法和步骤。此后美国联邦公路管理局也制定计划，研究 了桥面板耐久性检测和钢筋锈蚀的防护问题“”。日本建设省从1 9 8 0 年就组织 3 武汉理工大学硕士学位论文 进行“建筑物耐久性提高技术”的开发研究，并于1 9 8 5 年提交了研究成果概 要报告，1 9 8 6 年日本颁布了考虑耐久性的建筑物设计、施工和维修规程， 该规程以建筑物的一生管理为基础，强调建筑物的全过程管理，重视预防性维 修，延长建筑物的使用寿命，随后又编制了混凝土耐久性鉴定规程等一系 列的耐久性设计、鉴定规程和方法。日本建筑学会( a i j ) 1 9 8 8 年推出了建筑 物使用指南，1 9 9 2 年又推出建筑物现状调查、诊断、维修指南。同年，欧 洲混凝土委员会颁布了耐久性混凝土结构设计指南，反映了当今欧洲混凝土 结构耐久性研究的水平。我国的混凝土耐久性研究也已进入了有组织的工作阶 段。1 9 9 0 年4 月，建设部组织成立了全国建筑物鉴定与加固委员会，至今己 召开了三届学术交流会；1 9 9 1 年1 2 月我国制定了全国钢筋混凝土结构耐久性 设计规程，1 9 9 2 年1 1 月，中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土学会混凝 土耐久性专业委员会在济南成立“” 鉴于钢筋混凝土结构耐久性研究的重要意义，国内外有关机构都专门组织 人力、物力对钢筋混凝土结构的耐久性进行大规模的工程调查和试验、理论研 究嘲1 9 9 0 年，英国水泥协会对英国4 0 0 多个结构的碳化情况进行了现场实 测，得出了一些非常有价值的结果。1 9 9 3 年一1 9 9 5 年问，台湾海洋大学对海洋 环境中钢筋混凝土结构的耐久性进行了系统研究，研究分为3 个阶段：第一阶 段探讨海洋环境因素和材料因素对钢材的腐蚀作用；第二阶段研究腐蚀对构件 力学行为的影响；第三阶段综合第一、第二阶段的研究成果，提出修订桥梁设 计规范或施工准则的建议嘶1 我国在编制混凝土结构设计规范( g b j l o - 8 9 ) 的过程中，规范组成员曾在混凝土耐久性方面做了许多工作，而1 0 余年后在 对混凝土结构设计规范( g b j l o - 8 9 ) 的修订过程中，又将混凝土结构耐久性 的可靠度设计方法及措施作为一个专题研究。国家和省部级的研究基金曾支持 过多项有关耐久性的研究课题。建设部在“七五”和。八五”期间都专门设立 课题研究混凝土的耐久性问题。七五”攻关课题为“大气条件下钢筋混凝土结 构耐久性及其使用年限”，包括结构的耐久性调查、钢筋锈蚀、混凝土碳化、温 湿度对碳化的影响等；“八五”课题为“预应力混凝土结构及混凝土耐久性技术”， 包括拟建钢筋混凝土结构耐久性设计方法，服役钢筋混凝土结构的耐久性检测 和评估方法，在一定条件下诸因素对钢筋混凝土结构耐久性的综合影响以及建 立钢筋混凝土结构耐久性数据库等，目前都己取得了一定成果：1 9 9 5 年，国 家科委正式批准并启动了攀登计划项目“重大土木及水利工程安全性与耐久性 4 武汉理工大学硕士学位论文 的基础研究”，这是一项为期5 年的、对结构的安全性与耐久性有更高要求的 项目，它的实施会把我国结构安全性与耐久性的研究水平提高到一个新的高度， 从而推动我国结构设计理论的发展。另外，在许多高校也结合一些实际工程项 目，将混凝土结构耐久性的研究作为博士或硕士学位论文的选题，不仅完成了 项目，对我国结构耐久性人才的培养也做出了贡献。但遗憾的是我国目前还没 有一部耐久性设计的规程和标准，现行结构设计规范仅在构造措施和正常使用 极限状态验算方面考虑了结构的耐久性要求，按现行规范设计的结构其耐久性 是无法确定的。 有关混凝土结构耐久性的国际会议也己召开多次，反映了各国研究的最新 成果。1 9 8 7 年，国际桥梁与结构学会( i a b s e ) 在巴黎召开。混凝土的未来”国 际会议1 9 8 8 年在丹麦召开了“混凝土结构的重新评估”国际会议：1 9 8 9 年美 国和葡萄牙都举办了有关结构耐久性的国际会议；1 9 9 1 年美国和加拿大联合举 办了第二届混凝士结构耐久性国际学术会议；1 9 9 3 年i a b s e 在丹麦哥本哈根 召开了结构残余能力国际学术会议；由r i l e m 等公司发起的建筑材料与构件的 耐久性国际会议，自1 9 7 6 年以来，每三年举行一次阻“。 综观整个土木工程界，越来越多的人把研究的重点转向结构耐久性这一课 题，这一课题本身广泛的实际意义使得它已成为土木工程领域的一个研究热点。 1 4 研究的目的和意义 混凝土结构的耐久性及耐久性设计现已成为结构工程学科发展研究的前 沿，对混凝土耐久性的研究是摆在我们面前的一个很重要的现实课题和任务。 由于钢筋混凝土结构耐久性不足造成的后果是非常严重的。美国标准局 ( n b s ) 1 9 7 5 年的调查表明，美国全年各种由于腐蚀引起的损失为7 0 0 亿美元， 1 9 8 5 年达到1 6 8 0 亿美元：在美国洲际公路网五十六万座桥中，处于严重失效的 就有九万座，1 9 6 9 年一年内用于修复因钢筋锈蚀而损坏公路桥面板的费用高达 2 6 亿美元，1 9 7 8 年增至6 3 亿美元：美国材料咨询委员会( n m a b ) 1 9 8 7 年的年度 报告中指出，有2 5 3 ，0 0 0 座混凝土桥处于不同程度的损伤，并且以每年3 5 ，0 0 0 座的速度在增加口：目前，整个混凝土工程的价值约为6 万亿美元，而今后每 年用干维修或重建的费用预计将高达3 0 0 0 亿美元嘲美国1 9 9 1 年仅修复由干 耐久性不足而损坏的桥梁就耗资9 1 0 亿美元英国每年用于修复钢筋混凝土结 5 武汉理工大学硕士学位论文 构的费用就达2 0 0 亿英镑。而日本目前每年仅用干房屋结构维修的费用即达4 0 0 亿日元以上。日本引以为自豪的新干线使用不到l o 年，就出现大面积混凝土开 裂、剥蚀现象。我国现有建筑物的老化现象也是很严重的。据统计，我国现有 建筑面积5 0 亿m 2 ，其中约2 3 亿皿2 需分期分批进行鉴定加固，近l o 亿m 2 急需 维修加固才能使用乜町。在我国，由于耐久性不足造成的损失也是巨大的。1 9 8 1 年调查的华南地区1 8 座港、码头中，因钢筋锈蚀导致结构破坏的占8 9 ，基本 完好的只有两座；1 9 8 4 年调查的在浙江沿海使用仅七年到十余年的2 2 座钢筋 混凝土水闸( 构件共9 6 7 件) ，钢筋腐蚀使混凝土顺筋胀裂、剥落、甚至钢筋锈 断的构件占5 6 。1 9 8 6 年建成的连云港煤码头使用不到4 年，也已出现钢筋锈 胀裂缝。我国现有建筑物的老化现象也是很严重的，据统计，我国现有建筑中 约5 9 需分期分批进行鉴定加固才能使用”。 国外学者曾用。五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性， 即设计阶段对钢筋防护方面节省1 美元，那么就意味着：发现钢筋锈蚀时采取 措施将追加维修费5 美元；混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费2 5 美 元；严重破坏时采取措施将追加1 2 5 美元。如果在耐久性问题上再不采取对策， 那么我们每年花在土建工程上的巨大投资定将蒙受重大损失，资源将会极大浪 费，并将给今后的生活和生产带来长期困扰。在发达国家强调维修与现代化改 造的今天，我国逐渐步入新建与维修并重时期，研究混凝土结构耐久性有着深 远的意义。 1 5 本文的主要工作 本文研究的目标是配制出满足工程要求的耐久混凝土。按照经济与耐久的 设计原则，通过优化比选，使其具有优良的工作性和可靠性，满足各种环境条 件下的施工要求。在中铁十三局甬台温铁路客运专线工程背景下，主要做了以 下几方面的工作： ( 1 ) 搜集国内外相关资料，了解本课题最近的研究动态，结合实际情况确 定了研究方法。 ( 2 ) 提出沿海铁路客运专线耐久混凝土原材料优选方案，通过配合比试验 研究，探寻粉煤灰和矿渣粉的最佳掺量以及配比。研究双掺对混凝土力学和工 作性的影响规律。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 结合中铁十三局甬台温铁路客运专线处在沿海的恶劣的大气环境，研 究了水胶比、掺合料单掺、双掺对混凝土抗氯离子渗透性的影响。 ( 4 ) 根据水泥基材料抗硫酸盐侵蚀试验研究方法和评价指标，通过对比试 验研究了掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响。 ( 5 ) 研究了氯离子侵蚀和钢筋锈蚀机理，通过加速试验对比研究了掺合料 的护筋性能。 ( 6 ) 在所获得试验数据的基础上，根据f i c k 第二定律建立模型并对上述 各组混凝土遭受锈蚀年限进行了初步预测与评估。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章客运专线混凝土原材料选择及配合比设计 2 1 原材料的选择 混凝土是一种多组分不均匀体，影响混凝土配合比的因素很复杂，原材料 的品种与质量对混凝土的各方面性能都有很大影响，沿海铁路客运专线复杂的 环境条件对混凝土原材料的选择提出了更严格的要求，因此必须根据工程实际 的要求及所处的环境严格选取原材料的品种，合理的施工工艺并严格控制其质 量。配制沿海铁路客运专线耐久混凝土的原材料主要包括水、水泥、砂石集料、 化学外加剂( 高效减水剂及其复合剂) 、矿物细掺料等。 2 1 1 水泥的选择 水泥是混凝土中最主要的胶凝材料，选择优质的水泥对高耐久性能混凝土 的配制非常重要。配制沿海高耐久性混凝土所用的水泥应尽可能地选用低碱、 低氯、细度适宜的4 2 5 级或更高等级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。严格控 制碱含量，防止混凝土的碱集料反应造成破坏。氯离子含量会影响钢筋混凝 土结构的耐久性，水泥中的氯离子含量应小于0 0 3 * , 硫酸盐含量按s 0 3 计应 小于3 ，p h 值大于5 。 本课题采用浙江兆山水泥厂生产的p 0 4 2 5 级水泥，其化学成分见表2 - 1 ， 物理性能见表2 2 。 表2 1 水泥及掺合料的化学组成( ) 材料c a o s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3m g os 0 3k z on a 2 0t i 2 0 8 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 水泥的物理性能 ! 兰坠! 兰兰坠遵型翌墼坐堕! ! 墅婴 抗压强度抗折强度 细度标准稠度初凝时间终凝时间 安定性 m p am p a 3 d2 8 d 3 d2 8 d 2 7 02 h 1 5 m i n3 h 3 0 m i n 合格2 5 64 9 65 89 1 2 1 2 矿物掺合料 矿物掺合料由于经济和技术上的诸多优势，而被用作混凝土的第6 组分【2 8 l ， 用其替代部分水泥不仅能降低新拌混凝土的水化热，而且能提高工作性，有利 于混凝土密实成型，进而提高混凝土的力学性能和耐久性能嗍。 常用的矿物活性材料主要有：优质粉煤灰，磨细矿渣，沸石粉，硅粉等。 其中粉煤灰和矿渣的应用最为普遍。 一、粉煤灰 粉煤灰是从煤粉炉排出的烟气中收集到的细粉末。按其排放方式的不同， 分为干排灰与湿捧灰两种。湿捧灰内含水量大，活性降低较多，质量小如干捧 灰。按收集方法的小同，分静电收尘灰和机械收尘灰两种静电收尘灰相对来 说颗粒细、质量好。 1 、粉煤灰的质量要求 粉煤灰有商钙灰( c a o 1 0 ) 和低钙灰( c a o 1 0 ) 之分，山褐煤燃烧形成的 粉煤灰呈褐黄色，为高钙灰，具有一定的水硬性；山烟煤和无烟煤燃烧形成的 粉煤灰呈灰色，为低钙灰，具有火山灰性。 细度是评定粉煤灰品质的重要指标之一。粉煤灰中实心微珠颗粒含量较 多，未燃尽碳及小规则的粗粒含量较少时，粉煤灰就较细，品质较好。根据用 于水泥混凝上中的粉煤灰( g b1 5 9 6 - 9 1 ) 规定，粉煤灰分l 、i i 、m 三个等级， 其中i 级粉煤灰适用于钢筋混凝上和跨度小于6 m 的预应力钢筋混凝上，级粉 煤灰适用于钢筋混凝上和无筋混凝上，m 级粉煤灰主要用于无筋混凝上。 2 、粉煤灰掺入混凝上中的作用与效果【叫 粉煤灰在混凝上中，具有火山灰活性作用，它的活性成分s i 0 2 和a 1 3 0 2 与 水泥水化物c a ( o i - i ) 2 反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，成为胶凝材料的一 9 武汉理工大学硕士学位论文 部分。微珠球状颗粒，具有增大混凝上的流动性、减少泌水、改善和易性的作 用，若保持流动性小变，则可起到减水作用：其微细颗粒均匀分布在水泥浆中， 填充孔隙，改善混凝上结构，提高混凝上的密实度，从而便混凝上的耐久性得 到提高。同时还可降低水化热、抑制碱骨料反应。 二、磨细矿渣粉 磨细矿渣粉是指将粒化高炉矿渣经干燥、磨细达到相当细度日符合相应 活性指数的粉状材料，细度大于3 5 0 m 2 k g ，其活性比粉煤灰高，掺量也可较 大。掺入磨矿渣粉，使水泥粒子分散，增大浆体的流动性，混凝上的长期强度 得到提高，能得到致密的混凝上，提高混凝上的抗渗性，具有耐海水、耐酸及 耐硫酸盐性能。 本课题使用宁波北仑电厂生产的级粉煤灰和浙江明峰磨细矿渣粉，其 化学分析见表2 1 ，物理性能见表2 3 。 表2 - 3 粉煤灰和磨细矿渣粉的物理性能 里些! ! 丝坠! 墅型壁竺! 坐堕里! 丝苎翌璺! ! ! 竖 物理性能比表面积m 狐需萼比流动度比罟淼嚣 2 1 3 粗集料( 人工碎石) 天然石子有很高的强度，即使是经过强烈的风化作用的低强度的花岗岩， 其抗压强度也可以达到8 0 - i o o m p a ；对于强度较高的岩石，其强度更高。因此， 对于混凝土来说，石子本身的强度并不是重要的，而关键因素是粒径、粒形、 表面状况、级配、软弱颗粒和石粉含量等，它们影响着混凝土的工作性能。为 此，在选择粗集料时，应尽量选择清洁的、颗粒接近等径状的石子，少用含针 片状多，与碱反应活性高的成分。 本课题采用张家岙采石厂生产的规格为5 - 3 1 5 m m 和云龙采石厂生产的规 格为5 - 2 5 m m 的两种连续级配碎石，按g b t 1 4 6 8 5 - 2 0 0 1 建筑用卵石、碎石 标准，物理性能检测示于表2 - 4 和表2 5 。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 4 粗集料物理性能 ! ! ! 堡丝堕! ! ! 塑! 壁竺! 璺! 垡! 型堂兰曼墅! 唑 张家岙 5 - 3 1 5 m m 2 7 2 09 58 70 4 云龙5 2 5 m m2 8 5 5z 64 40 2 表2 - 5 集料颗粒筛分结果 塑皇! ! ! ：! ! 型! 璺! ! 竺! 竖婴坚! ! ! 受! 量! ! ! 累计筛余 筛孔，m m 3 1 52 6 51 9 o1 6 o 9 54 7 52 3 6 2 1 4 细集料( 天然河砂) 砂是制备混凝土的重要成分，它的成分影响着混凝士的性能。砂中常含一 些有害成分，鲡云母、粘、淤泥、粉砂等，粘附在砂的表面，妨碍砂与水泥 的粘结，降低混凝土的强度，同时增加水用量，从而影响混凝土的性能。 砂的颗粒级配的影响也相当大，在混凝土中砂粒之间的空隙被水泥填充， 为达到节约水泥和提高提高强度的目的，应尽量减少砂粒之间的空隙，这就要 求实验中采用级配恰当的砂。砂的级配是指不同粒径的砂粒混合在一起后的总 体的粗细程度，通常有粗砂、中砂、细砂之分。在相同质量的条件下，细砂的 表面积比较大，而粗砂的表面积较小。这样，在混凝土制各中由于砂子的表面 需要由水泥来包裹，粗砂需要的水泥较细砂少。在拌制混凝土时，砂的颗粒级 配也应当同时考虑。当砂中含有较多的粗粒径砂，并以适当的中粒径砂填充其 间，则可以使空隙率和总表面积均比较小，这样的砂比较理想，不仅水泥用量 少，而且可以提高混凝土的密实性和强度。由此可见，控制砂的粒径级配对制 备混凝土相当重要。本课题采用福建产闽江中砂，它的筛分试验结果表2 _ 6 。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 6 细集料( 天然河砂) 的筛分试验结果 里旦! ! 兰：鱼堡些! ! ! 望! 里曼堡! ! ! ! 堡垒璺! ! 竖! ! 曼坐型塑型塑! ! ! 墅尘 试样质量( g )筛孔尺寸( m m )筛余百分率( )累计筛余百分率( ) 砂中的软弱颗粒含量应尽可能少，避免含有云母石和泥块，含泥量为1 2 9 6 ， 泥块含量为0 ，其他指标满足普通混凝土用砂质量标准及检验方法的规定 2 1 5 高性能外加剂 外加剂是现代混凝土不可或缺的组分之一，是混凝土改性的主要方法和技 术。常用的外加剂主要有减水剂、缓凝剂、引气剂等。其中高效减水剂( 超塑 化剂) 是高强和高性能混凝土必要的组分正是因为高效减水剂的出现，才使 得混凝土在保持良好工作性的基础上降低水胶比成为可能，使混凝土的高强和 高性能化得以实现。本课题采用天津雍阳生产的缓凝高效减水剂( 液体) ，其 性能指标见表2 - 7 。 表2 ，7 高效减水剂性能指标 墅皇! ! 三! 旦! 堕虫璺垫! ! 圣垒! 壁壁墅垡墅! ! 坐! 堡! 竺受! 墨塑坐 检验项目名称单位本产品合格品标准检验结果单项判定 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 6 水 采用自来水或者引用水。水的氯离子含量不得大于2 0 0 | l i l g ，l ，硫酸盐含量 按s q 计不大予5 0 0 m g j u ，p i - i 值大于5 。 2 2 客运专线混凝土配合比设计 2 2 1 混凝土配合比设计的原则 混凝土的配合比设计应根据施工工艺要求的拌和物工作性、结构设计要求 的强度和使用复杂环境要求的耐久性，充分考虑施工运输、环境温度和经济节 约等条件进行。混凝土的配合比还应有利于减少混凝土温度收缩、干燥收缩和 自收缩引起的体积稳定性。其目的是在保证混凝土的综合性能得到提高或在保 证结构安全使用的前提下，力求达到便于施工和经济节约的要求。 采用容易取得且资源丰富的常规材料，利用当前通用的制备设备与施工工 艺，即强制式搅拌工艺、搅拌运输车、泵送浇注及振捣工艺，根据实际工程的 设计要求，制备出具有如下性能的混凝土。 1 强度 混凝土( 抗压) 强度是混凝土力学性能的考核指标和工程验收标准，一般地 说，水胶比越小，混凝土的强度越高，其结构越致实，抵抗外界因素，例如气 武汉理工大学硕士学位论文 候作用，化学侵蚀，磨蚀或其他各种破坏过程的能力越强，即混凝土的强度越 高，混凝土的耐久性越好。然而，水胶比低则水泥用量大，提高强度的同时也 造成了经济上的浪费沿海铁路客运专线混凝土的抗压强度应满足规范规定的 要求。必须通过合理的配合比设计来协调力学性能与经济效益的矛盾。 2 工作性 良好的工作性是工程施工顺利进展的前提，同时也是硬化混凝土满足力学 性能和耐久性达到设计要求的重要保障。为了适应现代泵送施工技术的要求， 提高施工效率，沿海铁路客运专线混凝土的流动性要高，粘聚性要好，并且混 凝土坍落度经时损失要小。 3 耐久性 混凝土耐久性是配合比设计的第一目标，沿海铁路客运专线混凝土必须有 较高的耐久性，设计寿命1 0 0 年。沿海环境中富含有大量的c l 、s 0 4 2 一、m 矿 等盐离子，海洋附近空气湿度大，且还有大量的c v 离子。混凝土处在这样的 环境中，这些离子会通过混凝土中存在大量的孔隙侵入到其内部，并与混凝土 中的水泥水化产物发生化学反应，这将导致混凝土的强度降低、钢筋锈蚀，性 能劣化；在有波浪冲刷等干湿交替作用时，这些盐离予在还会混凝土的毛细管 孔里产生膨胀结晶体，引起混凝土破裂。这两种作用叠加时，将会加速混凝土 结构的侵蚀破坏。影响耐久性的因素是拌和物的均匀性、稳定性以及硬化混凝 土的密实度、中心质网络的形成、界面结构、尺寸稳定性和所用原材料的品质 等。一般来说，抗渗性是混凝土耐久性的第一道防线，只要保证成型密实、均 匀、硬化后无原始裂缝，强度高的混凝土密实度也商；通过掺加矿物掺和料和 减水剂，均可以使高性能混凝水灰比降低，工作性很好，且成型密实；从原 材料的选择和配合比设计上还要尽量提高混凝土的体积稳定性，避免预应力构 件由此出现的应力损失现象。 4 经济性 沿海铁路客运专线耗资巨大，总投资上百个亿。如果单方混凝土少用几十 元甚至几元钱都可以为国家节约大量的资金，如何优化配合比设计，节约经济， 不要造成巨额的浪费也是摆在设计工作者面前的重要课题。 5 绿色环保 水泥混凝土作为人类最大宗的人造材料，其对资源、能源的需求和对环境 的影响十分巨大，是不可持续发展的。为了实现可持续发展，节约能源资源， 武汉理工大学硕士学位论文 混凝土必须向绿色材料方向发展，因此需要通过一些手段去提高混凝土的绿色 含量，即“绿色度”，概括来说，就是尽可能节约资源和能源，将对环境的破坏 减少到最d , j 嘲。具体到本文，提高“绿色度”就是如何通过有效的技术手段，最 大限度地节约水泥，最大程度地利用各种工业废渣替代水泥，最大幅度地提高 混凝土工程的使用效率和寿命。本章以粉煤灰、矿渣的资源化为出发点，在粉 煤灰、矿渣的掺量上突破以往在保证混凝土材料的基本性能基